Ecco il primo orologio nucleare: sarà il più preciso della storia

Ecco il primo orologio nucleare: sarà il più preciso della storia. Una nuova era nella misurazione del tempo: il Torio-229 e la rivoluzione degli orologi atomici grazie alla luce ultravioletta a vuoto.

Con l’evoluzione della tecnologia, la precisione nella misurazione del tempo ha raggiunto livelli impressionanti. Gli orologi atomici rappresentano uno degli strumenti più precisi disponibili, grazie all’impiego di transizioni quantistiche tra livelli di energia elettronica negli atomi. Questi dispositivi sfruttano il comportamento degli atomi quando assorbono o emettono fotoni, legati a cambiamenti nei loro livelli energetici. La frequenza di queste transizioni è incredibilmente stabile e precisa, permettendo la costruzione di orologi con una precisione in grado di mantenere l’accuratezza temporale per milioni di anni senza perdere nemmeno un secondo. Il progresso tecnologico ha portato alla costruzione di orologi basati su atomi come il cesio e, più recentemente, lo stronzio-87. Tuttavia, la prossima frontiera nella metrologia del tempo è rappresentata da orologi basati su transizioni nucleari, come nel caso del Torio-229.

Il ruolo del Torio-229 per gli orologi nucleari

Per la costruzione e l’elaborazione di orologi nucleari sono stati presi in considerazione particolari isotopi, come il Torio-229. Questo isotopo del Torio si distingue per una proprietà unica: presenta una transizione nucleare a bassa energia, che lo rende un candidato ideale per la realizzazione di un “orologio nucleare”. A differenza degli orologi atomici tradizionali, che si basano sulle transizioni tra livelli energetici degli elettroni che orbitano attorno al nucleo atomico, un orologio nucleare sfrutterebbe direttamente le transizioni all’interno del nucleo dell’atomo.

Questa distinzione è cruciale, poiché le transizioni nucleari sono meno influenzate da fattori esterni come i campi elettrici e magnetici, il che potrebbe portare a una stabilità ancora maggiore rispetto agli orologi atomici esistenti. La transizione nucleare nel Torio-229 è particolarmente interessante perché la sua energia è sufficientemente bassa da poter essere eccitata da luce ultravioletta a vuoto (Vacuum Ultra-Violet, o VUV), una regione dello spettro elettromagnetico accessibile grazie a moderne tecnologie laser.

Il ruolo del pettine di frequenze VUV

Per studiare e sfruttare questa transizione nucleare, è stato impiegato un pettine di frequenze VUV, uno strumento che genera una serie di impulsi di luce a intervalli regolari e molto precisi. Il pettine di frequenze è in grado di coprire una vasta gamma di frequenze, permettendo di eccitare in modo selettivo la transizione nucleare del Torio-229. Nell’esperimento, questa eccitazione avviene all’interno di un cristallo di fluoro-calcio (CaF₂), che funge da ambiente solido per ospitare gli atomi di torio.

Questo metodo non solo rende possibile l’eccitazione della transizione nucleare, ma consente anche di misurare la frequenza della transizione con estrema precisione. Inoltre, una delle sfide principali nello sviluppo di un orologio nucleare, è stabilire un confronto diretto con gli orologi atomici esistenti, per garantirne la precisione e la stabilità. Nel contesto di questo esperimento, il pettine di frequenze VUV è stato calibrato utilizzando un orologio atomico a base di Stronzio-87, uno dei più precisi al mondo, sviluppato presso il laboratorio JILA. Questa calibrazione permette di stabilire una connessione diretta tra la frequenza della transizione nucleare del Torio-229 e quella dell’orologio atomico al Stronzio-87, creando così un “ponte” tra due diversi tipi di orologi.

Amplificazione e confronto di frequenze

Per raggiungere le frequenze necessarie nel campo dell’ultravioletto a vuoto, il pettine di frequenze è stato amplificato mediante una cavità di amplificazione a femtosecondi, un dispositivo che aumenta la frequenza fondamentale del pettine fino al suo settimo armonico. Questo processo di amplificazione è essenziale per ottenere la frequenza corretta nella gamma VUV, indispensabile per stimolare la transizione nucleare del Torio-229.

Grazie a questo sofisticato sistema di eccitazione e amplificazione, è stato possibile misurare con grande precisione il rapporto tra la frequenza della transizione nucleare del Torio-229 e quella dell’orologio atomico al Stronzio-87. Questo rapporto rappresenta un passo cruciale per lo sviluppo di futuri orologi nucleari e per la comprensione delle proprietà fondamentali del torio-229.

Cosa ci attende in futuro

Il successo di questo esperimento apre la strada a nuove possibilità nell’ambito della metrologia e della fisica. L’introduzione di orologi nucleari potrebbe migliorare ulteriormente la precisione nella misurazione del tempo, superando i limiti imposti dagli attuali orologi atomici. Inoltre, le transizioni nucleari, essendo meno suscettibili alle influenze ambientali rispetto a quelle elettroniche, potrebbero fornire un nuovo strumento per testare teorie fisiche fondamentali, come la stabilità delle costanti fisiche nel tempo e la relatività generale.

In ambito pratico, questi orologi potrebbero trovare applicazioni in una vasta gamma di settori, dalla geodesia, per misurare con precisione le variazioni del campo gravitazionale terrestre, fino alla sincronizzazione estremamente accurata delle reti di comunicazione globali.